книги из ГПНТБ / Бетон для строительства в суровых климатических условиях

В рассматриваемой работе для изучения механизма раз­ рушения бетона был применен новый метод — рентгеногра­ фии, параллельно с контролирующим методом — микроскопии. С помощью этих двух методов была доказана начальная не­ сплошность строения бетона: при исследовании шлифов, взя­ тых из ненагруженного бетонного цилиндра, обнаружены

в цементно-песчаном камне также были обнаружены микро­ трещины, но в значительно меньшем количестве.

Наличие микротрещин на границе цементного камня с за­ полнителем еще до приложения нагрузки Т. Шу [89] объяс­ няет растягивающими напряжениями, возникающими здесь при объемных изменениях цементного камня в процессе гид­ ратации, набухания и усадки.

С возрастанием нагрузки наблюдалось увеличение длины и ширины «микротрещин зоны сцепления» и их количества (рис. 2). Наиболее значительно этот процесс развивался на­ чиная с напряжений, составляющих около 30% от разрушаю­

щих (ai = 0,3сгр).

Можно было бы легко убедиться, что величине о\ с опре­ деленным приближением соответствуют те относительные ве­

ческим, микроскопии, ультразвуковым, акустическим и ме­ тодом измерения деформаций) найдена первая параметриче­ ская точка процесса деформирования бетона, определяющая начало интенсивного развития трещин на границе цементнопесчаного камня с крупным заполнителем.

Микротрещины непосредственно в цементно-песчаном кам­ не, как было замечено Т. Шу и Ф. Слэйтом и др. [90, 91, 116], начинают развиваться при напряжениях сжатия аг = = (0,7 0,9) 0р. Этому же моменту соответствует и начало процесса образования так называемых «непрерывных (или протяженных) микротрещин», образующихся при соединении «трещин зоны сцепления», с микротрещинами в цементном камне. Но, как было отмечено авторами, начало развития системы «непрерывных микротрещин» еще не ведет к не­ медленной потере несущей способности бетона. Только при сильном развитии трещин этого вида, когда сеть их охва­ тывает всю структуру бетона, несущая способность его умень­ шается.

И

s t

£ 3 Продольные деформации

е-ЯГ

Р и с . 2. Схема развития процесса микротрещинообразования бетона, нагружаемого осевым сжатием при величине продоль­ ных деформаций

- е = 0 (бетон не нагружен); 6-е—12 • 10~4 ; в - е = 1 8 • 10~4 ; г - е = 2 4 • 1 0 - 4 ; ö - e = 3 0 10"

Можно было бы легко убедиться, что величине 02, уста­ новленной в рассматриваемой работе [90], с определенным приближением соответствуют те относительные величины кри­ тических напряжений, при которых ранее Р. Рюш [112] на­ блюдал увеличение частоты и интенсивности шумового фона, а Ф. Рихарт и А. Брандзаег [111] — начало необратимого уве­ личения объема бетона при его осевом сжатии.

Таким образом, авторы рассматриваемой работы [90, 116] могли бы сделать вывод о том, что найдена вторая парамет­ рическая точка процесса деформирования бетона, опреде­ ляющая начало развития микротрещин в цементно-песчаном камне, а также начало образования «непрерывных микротре­ щин». Однако такого обобщающего вывода сделано не было.

Первое более или менее четкое определение двум парамет­ рическим точкам процесса деформирования бетона при осе­ вом сжатии и разделение таким образом работы бетона на 3 стадии, или области, напряженного состояния было дано в 1964 г. О. Я- Бергом [5]. Согласно этому определению, пер­ вая параметрическая точка процесса деформирования бетона соответствует «нижней границе образования частично обрати­ мых микротрещин» R°r, а вторая параметрическая точка — «верхней (условной) границе образования необратимых мик­ ротрещин» /?т-

Следует заметить, что О. Я. Берг, по-видимому, не счел возможным использовать здесь результаты вышеописанных работ [90, 116], рассматривающих сущность закономерностей деформирования бетона. Очевидно, за неимением других по­ добных данных он дал такое условное определение характе­ ристикам указанного процесса, разделив его на этапы обра­ зования «частично обратимых микротрещин» и «необратимых микротрещин».

По-видимому, будет обоснованно, если в поэтапном разде­ лении процесса деформирования бетона исходить из вышерассмотренных результатов работ Т. Шу, Ф. Слэйта и др., тем более что установленный ими характер и последователь­ ность развития трещин вполне объяснимы и подтверждаются результатами исследований по прочности сцепления заполни­ теля с цементным камнем [89, 114 115]. Так, установлено, что прочность сцепления заполнителя с цементным камнем зна­ чительно меньше прочности на растяжение самого цемент­ ного камня.

Подтверждение такого характера процесса микротрещинообразования бетона можно, кроме того, найти в ряде работ зарубежных исследователей, посвященных изучению влияния типа и крупности заполнителя, а также величины сцепления заполнителя с цементным камнем на прочностные и деформативные характеристики бетона [84, 97, 114]. С помощью

13

расчетных схем и моделей результаты рассмотренных иссле­ дований Т. Шу, Ф. Слэйта и др. подтверждают в своей ра­ боте П. А. Ребиндер, Н. В. Михайлов и В. Г. Пашковский [53].

В силу всего вышесказанного считаем правильным в на­ стоящей работе при. трактовке результатов исследований взять за основу закономерности разрушения бетона под нагрузкой, установленные в работах Т. Шу, Ф. Слэйта и др. и подтвер­ жденные результатами работ других исследователей.

При этом основными прочностными характеристиками по­ этапного процесса разрушения бетона под нагрузкой осевого

начинается процесс развития микротрещин в цементном кам­ не и образование «непрерывных (или протяженных) микро­ трещин».

В настоящее время фундаментальные исследования зако­ номерностей разрушения бетона под нагрузкой, выполненные А. А. Гвоздевым и О. Я. Бергом, продолжают развивать

Г.Н. Писанко, А. В. Яшин, Н. В. Смирнов, Ю. Н. Хромец,

Е.Н. Щербаков, А. Е. Голиков, А. И. Рожков и др.

Работы этих исследователей посвящены изучению влияния ряда самых различных факторов (технологических и конст­ руктивных) на прочностные и деформативные характеристи­ ки, определяющие процесс трещинообразования бетона и же­ лезобетона.

условий твердения бетона, крупности заполнителя, попереч­ ного армирования, наличия каналов в железобетонном эле­ менте; в работах Г. Н. Писанко, Н. В. Смирнова, Г. С. Рояка и А. Е. Голикова — влияние различных поверхностно-активных добавок в бетоне [54, 55].

Все больше внимания вопросам исследования закономер­ ностей разрушения бетона под нагрузкой уделяется не только

Ж. Айзенберг [94] и др. Работы этих авторов являются по существу развитием описанных выше исследований, проведен­

14

Из вышеперечисленных работ следует особо выделить ра­ боту С. Шаха и С. Чандра [114]. Здесь впервые в практике зарубежных исследований даны четкое определение двух па­ раметрических точек (или характеристик) процесса деформи­ рования бетона под нагрузкой, а также конкретные рекомен­ дации по методам их определения.

Одну из этих характеристик, названную «напряжением инициативного начала», отвечающую началу интенсивного развития трещин на границе раздела цементного камня и за­ полнителя, в рассматриваемой работе рекомендуется опреде­ лять по моменту отклонения коэффициента Пуассона от его постоянного значения.

Вторую характеристику, называемую «критическим напря­ жением», которая отвечает началу развития микротрещин в цементном камне и их объединения в «непрерывные тре­ щины», рекомендуется определять по моменту, соответствую­ щему началу увеличения объема образца при сжатии.

гих зарубежных стран: прежде всего в Англии [96, 104] и Японии [87, 97], известны отдельные работы в Польше [78], Венгрии [106], Голландии [83] и, наконец, в Австралии [84].

Большинство зарубежных исследователей при изучении рас­ сматриваемого вопроса опираются на гипотетическую схему разрушения хрупкого твердого тела, разработанную А. А. Гриф-

Следует отметить, что все шире практикуется оценка за­ кономерностей разрушения бетона под нагрузкой с принци­ пиально новых позиций, а именно: на основе анализа изме­ нения коэффициента поперечной деформации (коэффициента Пуассона) бетона, его объемных деформаций, скорости рас­ пространения ультразвукового импульса.

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА МИКРОТРЕЩИНО­

ОБРАЗОВАНИЯ БЕТОНА

ВПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕТОННЫХ

ИЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Анализ уже первых работ по исследованию механизма разрушения бетона при одноосном сжатии позволил О. Я. Бер­ гу и К- А. Мальцову обосновать необходимость расчета

15

конструкций по четвертому предельному состоянию (по дол­ говечности бетона).

В вышедших в 1970 г. «Указаниях по обеспечению долго­ вечности бетонных и железобетонных конструкций морских гидротехнических сооружений» [71] даются уже первые прак­ тические рекомендации по решению проблемы долговечности бетона в рассматриваемом аспекте. Предлагается ограничи­ вать величины сжимающих напряжений в частях конструк­ ций, находящихся в зоне переменного уровня воды.

основном из недопущения процесса трещинообразования бе­

обычных условиях эксплуатации сооружений (при отсутствии воздействия каких-либо агрессивных сред). Это положение уже нашло отражение в действующих нормативных докумен­ тах СН 200—62, а затем СН 365—67 [72] применительно к проектированию предварительно напряженных железобетон­ ных конструкций железнодорожных и автодорожных мостов.

Так, с целью ограничения процесса развития трещин вдоль предварительно напряженной арматуры в указанные норма­ тивные документы введены требования проверки величин на­ пряжений в бетоне, создаваемых в процессе предваритель­ ного обжатия. Нормируемая величина этих напряжений принята по «условной границе образования микротрещин в бетоне».

Целенаправленные работы по определению оптимальной степени обжатия предварительно напряженных железобетон­ ных конструкций, опирающиеся на результаты исследований процесса трещинообразования бетона, проведены в последнее время во ВНИИТСе [9] и Н И И Ж Б е [25].

Из последних работ, направленных на использование ука­ занных характеристик бетона при совершенствовании мето­ дов расчета железобетонных конструкций, следует отметить работу В. В. Дегтярева и Ю. А. Гагарина [23]. При иссле­ довании напряженного состояния изгибаемых железобетонных

16

со временем в псевдопластические, что приводит к достиже­ нию предельного состояния бетона.

И действительно, в соответствии с вышесказанным, в ряде работ отечественных и зарубежных исследователей установ­ лена самая непосредственная связь между прочностными и деформативными характеристиками указанных областей на­ пряженного состояния бетона и его долговременной и уста­ лостной прочностью.

Таким образом, все вышеизложенное приводит к выводу, что знание прочностных и деформативных характеристик об­ ластей напряженного состояния бетона необходимо для учета его долговечности при проектировании бетонных и железобе­ тонных конструкций. Следует также отметить, что это поло­ жение частично уже находит в настоящее время отражение

всоответствующих нормативных документах.

§3. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОНА

НА ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

При анализе и обобщении огромного объема информации о механизме разрушения бетона под нагрузкой, о процессе микротрещинообразования бетона создается впечатление первостепенности изучения этого вопроса в области исследований бетона и железобетона. Однако весь большой объем работ, посвященных этой проблеме, относится только к обычным условиям эксплуатации строительных конструкций в области положительных температур.

Выше было уже сказано, насколько важно знание прочно­ стных характеристик, которые определяют процесс трещинообразования бетона под нагрузкой, для проектирования бе­ тонных и железобетонных конструкций сооружений, эксплуа­ тирующихся в суровых климатических условиях. При этом предполагалось, что эти характеристики могут служить основ­ ными расчетными критериями долговечности (морозостойко­ сти) бетона. Подтверждение этой гипотезы может быть в ка­ кой-то степени получено при анализе тех немногих работ, ко­ торые посвящены влиянию напряженного состояния бетона на его морозостойкость.

Впервые зависимость морозостойкости бетона от вида и степени его напряженного состояния была выявлена в рабо­ тах В. М. Москвина и А. М. Подвального [50], К. А. Мальцова, П. Г. Старицкого и С. С. Антонова [41]. В этих работах экспериментальным путем было установлено, что напряжения при растяжении и изгибе резко снижают долговечность бе­ тона, подвергаемого попеременному замораживанию и оттаи­ ванию; напряжения, возникающие при сжатии бетона, если они не превышают определенного предела, наоборот, благо­ приятно влияют на его морозостойкость. В работе В. М. Мос­ квина, M . М. Капкина, Б. М. Мазура и А. М. Подвального

18

[49] было высказано предположение, что этот предел связан с границей образования микротрещин в бетоне, которые воз­ никают вследствие растяжения сжатого бетона в направле­ нии, нормальном по отношению к сжимающей силе.

Как будет видно ниже, это предположение подтверждается

Ф.М. Иванова [19].

Бетонные образцы-призмы, обжатые до напряжений, со­

ставляющих различную долю от призменной прочности бето­ на, подвергались многократному попеременному заморажива­ нию и последующему оттаиванию в бассейне с морской водой.

Наибольшую морозостойкость показали образцы с напря­ жениями обжатия, не превышающими границу области микротрещинообразования бетона lfT, определенную по О. Я. Бергу [4] на контрольных образцах, не подверженных вышеуказанным температурно-влажностным воздействиям.

Анализ результатов других вышеописанных работ действи­ тельно приводит к предположению о том, что величина на­ пряжений, определяющая начало процесса микротрещинообразования нагруженного бетона, может являться одним из основных критериев его долговечности (морозостойкости). Вопрос о том, какая из двух границ области микроразру­ шений, нижняя cri = Ri ИЛИ верхняя о-2 = RT, может служить этим критерием и для какого характера действующих экс­ плуатационных нагрузок (статических долговременных или динамических), остается неясным.

Окончательный вывод о границах области микроразру­ шений бетона как о критериях его морозостойкости делать пока нельзя, так как остается неисследованным вопрос, как отражаются на величинах указанных характеристик те де­ структивные процессы, которые имеют место в бетоне при воздействии отрицательных температур. Так, известно [48, 57, 61, 63], что многократное попеременное замораживание и оттаивание бетона может приводить к значительному сни­ жению величины его призменной прочности. С другой сто­ роны, известно также [7, 34], что величина призменной проч­ ности и величины напряжений, соответствующие границам области микротрещинообразования бетона, определяются од­ ним процессом развития поперечных деформаций бетона при

19

к смещению начала процесса микротрещинообразования бе­ тона в сторону меньших по величине напряжений сжатия. Если принять последнее за установленный факт, то легко до­ казать, что характеристики Ri и R? могут определять моро­ зостойкость нагруженного бетона только при условии учета изменения их при воздействии отрицательных температур.

розостойкости. За счет образования микротрещин от действия внешней нагрузки бетон данной конструкции будет разру­ шаться при попеременном замораживании — оттаивании со скоростью большей, чем бетон ненагруженной конструкции.

Таким образом, при оценке морозостойкости нагруженного бетона с позиций влияния его напряженного состояния нель­ зя, по-видимому, ориентироваться на величину RT, определен­

рекомендации по предельно допустимым эксплуатационным напряжениям в бетонных и железобетонных конструкциях со­ оружений, эксплуатирующихся в суровых климатических условиях, необходимо исследовать влияние воздействия от­ рицательных температур на характер и степень изменения величин напряжений, определяющих границы области микро­ трещинообразования бетона.

§ 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ

20